JP5341391B2

JP5341391B2 - 側面発光型光ファイバ

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Publication number: JP5341391B2
Application number: JP2008129313A
Authority: JP
Inventors: 慎一入江
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2008-05-16
Filing date: 2008-05-16
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2028-05-16
Also published as: KR20110009694A; KR101640613B1; WO2009140025A3; US20110063872A1; WO2009140025A2; EP2281214A4; EP2281214A2; US9366796B2; CN102077123B; CN102077123A; JP2009276651A

Description

本発明は、例えば、車両や建物の補助照明として適用可能な側面発光型光ファイバに関する。

側面無指向発光型プラスチック光ファイバの側面輝度を向上させる手法として、クラッド中に微量の酸化チタンを含有させ、その含有量を変化させることにより、側面輝度及び側面輝度の減衰率をコントロールできることが知られている（特許文献１）。

また、側面無指向発光型プラスチック光ファイバの側面輝度を向上させる他の手法として、コア中に散乱体を含有させ、その含有量を変化させることにより、側面輝度をコントロールできる方法も知られている（特許文献２）。

特許第３３８４３９６号公報特開２０００−１３１５２９号公報

しかしながら、特許文献１に記載された光ファイバのように、クラッド中に酸化チタンを含有させたものでは、衝撃などにより、コア／クラッドの界面に層間剥離が生じると、剥離部分において光の散乱が減少し、いわゆる「暗欠点」のような様相を呈し、ファイバの外観が損なわれる場合がある。

他方、特許文献２に記載された光ファイバのように、コア中に光散乱体を含有させたものでは、光の散乱がコア／クラッド界面ではなくコア中で起こるため、コア／クラッド界面で層間剥離があっても「暗欠点」のような様相を呈することは少なく、ファイバの外観を良好な状態に維持することができる。しかしながら、この光ファイバでは、光散乱体の含まれていないクラッドは透明であるため、クラッド表面に引っ掻き傷があると、傷の部分で光の強い散乱を生じ、いわゆる「輝点」のような様相を呈し、ファイバの外観が損なわれる場合がある。

本発明は、コア／クラッド界面で層間剥離が生じたり、クラッド表面に引っ掻き傷ができたりしても、これらが目立たない外観特性を得ることができる側面発光型光ファイバを提供することを目的とする。

本発明の一態様は、第１の光散乱体を含むコアと、前記コアの周囲で略同心に配され、第２の光散乱体を含むクラッドとを有し、光波長５５０ｎｍにおける前記クラッドの光透過率が７０％〜９０％である側面発光型光ファイバを提供する。

本発明によれば、コア／クラッド界面に層間剥離が存在していたり、クラッド表面に引っ掻き傷が存在していたりしても、それらが目立ちにくく、良好な外観特性を得ることができる。

以下に本発明の実施の形態の具体例を図面を用いて詳細に説明する。図１に、側面発光型光ファイバ（以下「光ファイバ」という）１を示す。光ファイバ１は、コア２とその周囲に略同心に配されたクラッド３とを有し、コア２とクラッド３のそれぞれに光散乱体４および５を備えたものである。発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザなどの図示しない光源により少なくとも一端から光が供給されることにより、側面発光することができる。光ファイバ１の長さは、用途によるが、５ｍ以上の長尺とすることもできる。

樹脂製光ファイバ１の代表例として、コア２をアクリル系樹脂、クラッド３をフッ素系樹脂で成形することができるが、コア２の屈折率がクラッド３の屈折率より大きければ、コア２やクラッド３に適用される樹脂材料が制限されるものではない。樹脂製光ファイバ１は、可撓性に優れるため、取り扱いの自由度が高く、任意の方向に湾曲可能である。したがって、光ファイバ１は、配索する経路に応じて、直線状、曲線状など種々の形態をとることができる。

光ファイバ１のサイズは、所定のサイズに限定されるものではなく、樹脂成形可能であれば任意のサイズに形成することができる。この光ファイバ１の代表的サイズとして、外径３．５ｍｍのサイズを挙げることができるが、数ｍｍから数１０ｍｍまでのものを安定して製造することが可能である。

図２は、本実施形態の光ファイバ１を代表的な使用用途である車両の補助照明として適用した例を示す。同図に示すように、例えば、本実施形態の光ファイバ１は、車両のインストルメントパネル６回り、ドアパネル７、コンソールボックス８のそれぞれに設置し、補助照明として使用できる。図示されていないが、光ファイバ１をカーテシーランプやマップランプやルームランプに適用することもでき、また、外装装飾用途に用いることも可能である。光ファイバ１が車両以外に適用される他の用途としては、看板、ショーウインドー、ショーケースなどを挙げることができるが、これには限られない。本発明の光ファイバ１は、以下で詳細に説明するように、層間剥離や引っ掻き傷がある場合であっても、これらが目立たない良好な外観特性を得ることができるものである。

以下において、本実施形態の光ファイバ１の構成についてより詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態の光ファイバ１は、コア２とクラッド３がそれぞれ所定添加量の光散乱体４，５を含有したものである。ここで、「光散乱体」とは、使用する光源の光を散乱できるものをいい、その材質および形状は限定されない。コア２およびクラッド３それぞれに含有される光散乱体４と５とは、別の材料および形状、サイズであってもよく、あるいは同一であってもよい。また、光散乱体４として、あるいは光散乱体５として使用する材料は1種に限られない。

本実施形態の光ファイバ１は、光源として使用する光の波長に対し、クラッド３の光透過率が調整されており、一つの目安として、波長５５０ｎｍの光に対し、光透過率が７０％〜９０％に調整されたものである。この透過率の調整は、クラッド中に含まれる光散乱体の含有量のほか、例えばクラッド３の材質、クラッド３の厚み、あるいは別の添加物を加えることなどで行うことが可能であり、その調整方法は特に限定されない。クラッド３の光透過率が９０％を超え、クラッド３の透明性が増すと、クラッド表面の傷が目立ちやすくなる。光透過率が９０％以下であれば、通常の使用条件で、引っ掻き傷程度の傷であれば、ほぼ目視で視認できないようにすることができる。光透過率が８５％以下、あるいは８３％以下の場合、クラッド表面の傷をさらに目立ちにくくすることができる。一方、光透過率が７０％未満になると、コア２とクラッド３との間に界面剥離が生じた場合に、剥離部分とそれ以外の部分での光散乱性や透明性の相違が大きくなるため、剥離部分が目立ちやすくなる。透過率を７０％以上とすれば、剥離部分は目立ちにくくなり、通常の使用条件で、ほぼ目視で視認できないようにすることができる。透過率を７３％以上、あるいは７５％以上にすれば、剥離部分はさらに目立たなくなる。また、コア２に所定添加量の光散乱体４を含ませることで、コア／クラッド界面の層間剥離部分において、光の散乱が減少すること（いわゆる暗欠点）を防止でき、クラッド３に所定添加量の散乱体を含ませることで、クラッド表面に存在する引っ掻き傷で光の強い散乱が生じること（いわゆる輝点）を防止することができる。

上述するように、コア２に含有される光散乱体４の材質は制限されるものでないが、コア２がアクリル系樹脂材である場合には、光散乱体４としてシリコーン粒子や酸化チタン粒子が使用できる。特に、シリコーン粒子を光散乱体４として使用する場合は、製造過程で、光散乱体を混合したアクリルモノマーを重合し、コア２の形成を行う場合などにおいて、シリコーン粒子が沈降しにくいため、良好な分散性を維持でき、光散乱体４を均一にコア２中に分布させることができる。

コア２に含有される光散乱体４の添加量は、０．０００５〜０．１質量％とすることができる、あるいは、０．０００８〜０．０８質量％、０．００１〜０．００５質量％としてもよい。コア２中の光散乱体を０．００５質量％以上含むことで、コア／クラッド界面の層間剥離部分をさらに目立たせなくする効果が発揮できる。０．００８質量％以上、あるいは０．０１質量％以上含む場合はより効果的に、剥離部を目立たなくできる。一方、コアに含有される光散乱体４の添加量が０．１質量％を超えると、光源近傍での側面発光輝度が強くなりすぎるため、光源から離れた地点での側面発光輝度が大幅に低下する。クラッド３に含有される光散乱体５の材質は制限されるものでないが、クラッド３がフッ素系樹脂である場合には、例えば酸化亜鉛粒子が好ましい。

ここで、コア２に適用される樹脂材料には、アクリル系ポリマーの他に、ポリカーボネート（ＰＣ）、エチリデンノボルネンポリマー、スチレン−エチレン−ブタジエン−スチレンブロックポリマー（ＳＥＢＳ）などを挙げることができる。アクリル系ポリマーとしては、アクリル酸及びメタクリル酸並びにこれらの一価アルコールとのエステルから選ばれる１種のモノマーを重合してなるホモポリマー、或いは２種以上のモノマーを共重合してなるコポリマーを挙げることができる。

クラッド３に適用される樹脂材料には、フッ素系ポリマーの他にシリコーン系ポリマーを挙げることができる。具体的には、ポリジメチルシロキサンポリマー、ポリメチルフェニルシロキサンポリマー、フルオロシリコーンポリマー等のシリコーン系ポリマー、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合体（ＦＥＰ）、四フッ化エチレン−パーフルオロアルコキシエチレン（ＰＦＥ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、四フッ化エチレン−エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリビニリデンフルオライド、ポリビニルフルオライド、フッ化ビニリデン−三フッ化塩化エチレン共重合体、フッ化ビニリデン−六フッ化プロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−六フッ化プロピレンー四フッ化エチレン三元共重合体などを挙げることができる。

コア２及びクラッド３に含まれる光散乱体４，５には、上述したシリコーン粒子や酸化亜鉛粒子の他に、ポリスチレン樹脂粒子等の有機ポリマー粒子、アルミナ粒子、酸化ケイ素粒子等の金属酸化物粒子、硫化塩粒子、炭酸塩粒子などを挙げることができる。これらの粒子は、単独で又は２種以上併用して使用することができる。光散乱体の平均粒径は、０．１〜３０μｍ、特に１〜１５μｍが好ましい。平均粒径が３０μｍより大きいと、固体化する途中で沈殿し易く、光の散乱特性が低下するためである。また、平均粒径０．１μｍより小さいと、短波長（青）の光はより散乱され易くなり、長波長（赤）の光は散乱されにくくなり、可視光の散乱における波長依存性が強くなるためである。

なお、本発明の実施形態に係る光ファイバの製造方法は特に限定されない。例えば、まず、押出し成型法等を用いて光散乱体５を混合したクラッド材を高温でチューブ状に押し出した後冷却して、クラッド３を形成する。その後、光散乱体流動状態のコア樹脂材をクラッド３の中空部内に流し込み充填した後、加熱し、コア樹脂材を硬化させる方法を使用できる。

また、別の製造方法としては、例えば、チューブ状クラッド材を押出成形する際に、同時に押し出されたクラッドの中空内にコア樹脂材を押し出すことで同時押出成形する方法を用いてもよい。こうすることにより、長尺の光散乱体を連続して製造することが可能である。

次に、本発明について、実施例に基づき説明するが、実施例は例示にすぎず、本発明の範囲を何ら限定するものではない。
（実施例１）
１．クラッドの作製
クラッド用樹脂として、テトラフロロエチレン−ヘキサフロロプロピレン共重合体（FEP）である三井デュポンフロロケミカル社製FEP-100Jを100質量部と光散乱体５として大日精化工業社製FEP樹脂FCMSM1109−White(D)（FEP樹脂に１０質量％酸化亜鉛を分散させたもの）を1質量部とを缶に入れて約１分間ハンドシェイクして混ぜ合わせた。次に、得られた混合物を押出し機にて約395度に加熱した型内を約3ｍｍ/分の速度で押し出し、押し出された成形体を水冷した。こうして外径3.25mm、厚み0.25mmのチューブ状クラッドを得た。このクラッドには、約0.099質量％の酸化亜鉛が光散乱体５として含まれる。このように作製されたクラッドの光波長550nmにおけるこの光透過率は80％であった。光透過率の測定方法は後述する。
２．コアの作製
次に、コア２を作製するため、10質量部のメタクリル酸ヒドロキシエチル、75質量部のメタクリル酸ｎ−ブチル、25質量部のメタクリル酸２−エチルヘキシル、1質量部のジメタクリル酸トリエチレングリコールを約1分間攪拌棒にて混合してモノマーの混合溶液を調整した。この混合溶液に、光散乱体４として、シリコーン樹脂粒子であるモメンティブパフォーマンス社製TP-120（平均粒子径：2μm）を0.0065質量％、攪拌機にて約30分攪拌して分散させ、さらに重合開始剤として、ラウロイルパーオキサイドを2質量％加え、常温にて攪拌機を用いて約30分攪拌して溶解し、コア前駆体とした。

前述のチューブ状クラッド３の一方の端部からチューブ内にコア前駆体の溶液を常温で注入した後、一端部を封止し、他方の端部から空気で加圧しながら、封止した一端部側から順次約９０℃の水槽中に約２０分置き、加熱重合させて固体のコアを形成した。こうして側面発光型光ファイバ１を得た。この光ファイバ１の仕上がり外径はコア材注入による膨張で約3.5mmとなった。

（実施例２）
三井デュポンフロロケミカル社製FEP-100Jを75質量部に対し、大日精化工業社製FEP樹脂FCMSM1109−White(D) を1質量部混ぜ合わせ、押出し機にて外径3.25mm、厚み0.25mmのチューブ状に成形した。これにより、このクラッド３には、約0.132質量％の酸化亜鉛が光散乱体５として含まれる。このように作製されたクラッド３の光波長550nmにおけるこの光透過率は72％だった。コア２は実施例１と同様の方法で作製し、側面発光型光ファイバ１を得た。

（実施例３）
三井デュポンフロロケミカル社製FEP-100Jを150質量部に対し、大日精化工業社製FEP樹脂FCMSM1109−White(D)を1質量部混ぜ合わせ、押出し機にて外径3.25mm、厚み0.25mmのチューブ状に成形した。これにより、このクラッド３には、約0.066質量％の酸化亜鉛が光散乱体５として含まれる。このように作製されたクラッド３の550nmにおけるこの光透過率は83％だった。コア２は実施例１と同様の方法で作製し、側面発光型光ファイバ１を得た。

（実施例４）
三井デュポンフロロケミカル社製FEP-100Jを200質量部に対し、大日精化工業社製FEP樹脂FCMSM1109−White(D)を1質量部混ぜ合わせ、押出し機にて外径3.25mm、厚み0.25mmのチューブ状に成形した。これにより、このクラッド３には、約0.050質量％の酸化亜鉛が光散乱体５として含まれる。このように作製されたクラッド３の550nmにおけるこの光透過率は86％だった。コア２は実施例１と同様の方法で作製し、側面発光型光ファイバ１を得た。

（実施例５）
クラッド３は、実施例１と同様の方法で作製した。
次に、コア２を作製するため、散乱体４として、モメンティブパフォーマンス社製TP-120を0.05質量％分散させた以外は、実施例１と同様にして側面発光型光ファイバ１を得た。

（実施例６）
クラッド３は、実施例１と同様の方法で作製した。
次に、コア２を作製するため、散乱体４として、モメンティブパフォーマンス社製TP-120を0.001質量％分散させた以外は、実施例１と同様にして側面発光型光ファイバ１を得た。

（実施例７）
実施例１と同様にしてクラッド３を作製した。
三井デュポンフロロケミカル社製FEP-100Jを100質量部に対し、大日精化工業社製FEP樹脂FCMSM1109−White(D)を1質量部混ぜ合わせ、押出し機にて外径3.25mm、厚み0.25mmのチューブ状に成形した。これにより、このクラッド３には、約0.099質量％の酸化亜鉛が光散乱体５として含まれる。このように作製されたクラッド３の光波長550nmにおけるこの光透過率は80％だった。次に、コア２を作製するため、散乱体４として、シリコーン樹脂粒子（モメンティブパフォーマンス社製TP-120）を0.1質量％分散させた以外は実施例１と同様にして側面発光型光ファイバ１を得た。

（実施例８）
実施例１と同様にしてクラッド３を作製した。
次に、コア２を作製するため、光散乱体４として、シリコーン樹脂粒子（モメンティブパフォーマンス社製TP-120）を0.0005質量％分散させた以外は実施例１と同様にして側面発光型光ファイバ１を得た。

（比較例１）
三井デュポンフロロケミカル社製FEP-100Jを50質量部に対し、大日精化工業社製FEP樹脂FCMSM1109−White(D)を1質量部混ぜ合わせ、押出し機にて外径3.25mm、厚み0.25mmのチューブ状に成形した。これにより、このクラッド３には、約0.19質量％の酸化亜鉛が光散乱体５として含まれる。このように作製されたクラッド３の光波長550nmにおけるこの光透過率は65％だった。コア２は実施例１と同様の方法で作製し、側面発光型光ファイバ１を得た。

（比較例２）
三井デュポンフロロケミカル社製FEP-100Jを、押出し機にて外径3.25mm、厚み0.25mmのチューブ状に成形した。よって、このクラッド３には、光散乱体５が含まれていない。このように作製されたクラッド３の光波長550nmにおけるこのクラッド３の光透過率は93％だった。コア２は実施例１と同様の方法で作製し、側面発光型光ファイバ１を得た。

（比較例３）
比較例２と同様にて光散乱体が含まれないクラッド３を作製した。
次に、コア２の作製は、光散乱体４であるシリコーン樹脂粒子（モメンティブパフォーマンス社製TP-120）を加えず、他の条件は、実施例１と同様にしてコア２、クラッド３ともに光散乱体が含まれない側面発光型光ファイバ１を得た。

ここで、実施例及び比較例のサンプルの光透過率の測定は、図３に示す方法で行った。
クラッド３の光透過率の測定には、日立製U-4100型分光光度計を用い、セル長を10.0mm、スキャンスピードを300nm/min、サンプリング間隔を0.50nm、スリットを5.00nmに設定し、フィルム状にカットしたクラッド３の表面に５５０ｎｍの光を当て、クラッド３の裏面側に透過する光を積分球１０で検知することにより測定した。表１中に、各サンプルの光波長550nmでのクラッドの光透過率を示す。

また、実施例及び比較例のサンプルの輝度測定は、図４に示す方法で行った。
側面輝度が弱すぎると実用に向かないため、側面輝度が６カンデラ以上であることを条件とした。図示するように、光ファイバの一端部にＬＥＤ光源（日亜化学工業社製のNSPW300CS）１１を光接続し、光源から30cm地点での側面輝度を、輝度計（ミノルタ社製の色彩輝度計CS-100）１２にて測定した。表１中に、各サンプルのＬＥＤ光源１１から30cm地点での側面輝度を示す。

次に、実施例及び比較例のサンプルの外観について評価した。
個々のサンプルに、”層間剥離”と”引っ掻き傷”を故意に形成した。”層間剥離”は、サンプルをＳＵＳ−３０４の平らな板の上に置き、サンプルに対して直角に交差する方向から、直径１０ｍｍ、長さ１２０ｍｍ、重さ７５ｇのＳＵＳ−３０４ロッドを、１００ｍｍの高さから落下させることにより形成した。”引っ掻き傷”は、サンプルの外表面を、３Ｍ社製のインペリアルラッピングフィルム２６３Ｘ（４０μｍ）を用いて、３回擦ることにより形成した。

表１に、“層間剥離”と“引っ掻き傷”の視認性を評価した結果を示す。評価は、視力に問題がない3人の評価者が、暗室中にて、サンプルから１ｍ離れた距離からサンプルを目視することにより行われた。サンプルの一端部にＬＥＤ光源NSPW300CSを接続し、サンプルに光を供給し、“層間剥離”と“引っ掻き傷”の存在により暗欠点や輝点が視認されるか否かを評価した。表１に示すように、本実施例１〜８は、光波長550nmにおけるクラッド３の光透過率を70%以上90%以下とした場合、“層間剥離”と“引っ掻き傷”が存在しても、視認されなかった。また、実施例１〜６については、側面発光の輝度も６以上が得られた。これに対して、比較例１は“層間剥離”が視認された。また、比較例２及び３は、“引っ掻き傷”が視認された。

以上のように、本実施形態の光ファイバ１によれば、コア２とクラッド３に散乱体４，５が含まれた光ファイバにおいて、クラッド３には５５０ｎｍの波長を有する光の透過率が70％以上90％以下になるように散乱体５が添加されているから、コア／クラッド界面に層間剥離が存在していたり、クラッド表面に引っ掻き傷が存在していたりしても、それらの欠陥を目立たなくして、良好な外観特性を得ることができる。

以上、本発明をその好適な実施形態に関連して説明したが、後述する請求の範囲の開示から逸脱することなく様々な修正及び変更を為し得ることは、当業者に理解されるであろう。

本発明に係る側面発光型光ファイバの一実施形態を示す断面図である。図１に示す側面発光型光ファイバが車両に適用された様子を示す説明図である。光透過率の測定方法を説明する説明図である。側面輝度を測定する方法を説明する説明図である。

符号の説明

１光ファイバ（側面発光型光ファイバ）
２コア
３クラッド
４，５散乱体

Claims

第１の光散乱体を含むコアと、
前記コアの周囲で略同心に配され、第２の光散乱体を含むクラッドとを有し、
光波長５５０ｎｍにおける前記クラッドの光透過率が７０％〜９０％である側面発光型光ファイバ。
前記第１の光散乱体が前記コア中に０．０００８〜０．０８質量％含まれている、請求項１に記載の側面発光型光ファイバ。
前記第１の光散乱体がシリコーン粒子である、請求項１又は２に記載の側面発光型光ファイバ。
前記クラッドの厚みが０．１〜０．８ｍｍであり、前記第２の光散乱体が前記クラッド中に０．０５〜０．１５質量％含まれている、請求項１から３のいずれか１項に記載の側面発光型光ファイバ。
前記コアがアクリル系ポリマーを主材料とし、前記クラッドがフッ素系ポリマーを主材料とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の側面発光型光ファイバ。
前記第２の光散乱体が酸化亜鉛粒子である、請求項１から５のいずれか１項に記載の側面発光型光ファイバ。
車両内の補助照明として使用される、請求項１から６のいずれか１項に記載の側面発光型光ファイバ。